Töredékelemzés

A frakcionált elemzés egyik ága analitikus matematika , hogy a tanulmányok lehetőségét meghatározó hatalmak nem teljes az üzemeltetők a levezetés és integráció .

Ezek a származékok vagy frakcionális integrációk az ál-differenciál operátorok általánosabb keretei közé tartoznak .

Elgondolkodhat például azon, hogyan kell helyesen értelmezni a négyzetgyököt

a derivációs operátor, vagyis egy bizonyos operátor kifejezése, amelynek kétszer egy függvényre történő alkalmazása ugyanolyan hatást fog eredményezni, mint a levezetés. Általánosabban megvizsgálhatjuk a definiálás problémáját

az α valós értékeire úgy, hogy amikor α egész n értéket kap , akkor visszaállítjuk a szokásos n- edik levezetést n > 0 vagy az iterált integráció esetén | n | alkalommal n <0 esetén . A „tört” kifejezést helytelenül használják: az α nem feltétlenül racionális szám , ezért helyette nem egész szám levezetéséről kell beszélnünk. A "frakcionális elemzés" kifejezés azonban hagyományos lett.

A frakcionált származékokat például a fizika bizonyos területein használják, amelyek diffúziós jelenségeket, például elektromágnesességet , akusztikát vagy termikát foglalnak magukba , diffúziós pszeudo-differenciál operátorok meghatározásával, a „ fraktálgeometriaélfeltételeivel  .

Törtrészes származék

Ennek a témának az alapjait Liouville tette le egy 1832-ben megjelent cikkében. Az x pontban lévő függvény α sorrendű deriváltját gyakran meghatározzák a Fourier-transzformációból vagy a Laplace-transzformációból .

Fontos szempont, hogy egy függvény törtrészlete az x pontban csak akkor lokális tulajdonság , ha az α sorrend egész szám; a többi esetben, többé már nem mondhatjuk, hogy a frakcionált származékot egy függvény F az x függ csak a grafikonon F szomszédságában X , ahogy ez a helyzet a értéke megrendelések levezetése.

Ennek szemléltetésére mutassuk be a „fordítás” operátort és az identitás operátort . A határ , amikor h megközelíti a 0 értéket , az operátor

jól megfelel az elsőrendű derivációs operátornak.

Az általánosított binomiális képletnek köszönhetően ezt az operátort nem egész számra emelhetjük. Így végtelen sorozatot kapunk :

,

ahol az általánosított binomiális együtthatót jelöli .

Egy ilyen definíció nem egész sorrendben indukálja a derivációs művelet nem lokális karakterét .

Természetes megközelítés

Természetes kérdés merül fel: van-e olyan lineáris H operátor , amely

 ?

Úgy tűnik, hogy létezik ilyen operátor, sőt bármely racionális α > 0 esetén létezik olyan P operátor , amely (pontosabban, ha α = p / q , ), vagy másképp megfogalmazva, amely minden valós értékek n > 0 .

Hasonló eredmény érvényes az integrációra is. Figyelembe véve az x > 0-hoz definiált f függvényt , megadhatjuk annak határozott integrálját 0-tól x-ig  :

.

Ennek a folyamatnak a megismétlésével kapjuk meg

,

és ezt önkényesen meg lehet ismételni.

A következő képlet, amelyet Cauchy képletének nevezünk az egymást követő integrációhoz ,

egyetlen integrállal fejezi ki az f függvény n-edik primitívjét . Ez egyenesen általánosításhoz vezet bármely valós α > 0 , sőt, szigorúan pozitív valós rész tetszőleges számú komplex száma esetén .

A gamma funkciót Γ , amely a tényezőt kiterjeszti a komplex értékekre, úgy definiálják, hogy:

.

Ha a gamma függvényt felszabadítjuk a faktoriál diszkrét természetétől, természetes jelöltet kapunk az integrációs operátor nem egész hatványaihoz:

. Példa:

Ha f egy hatványfüggvénnyel , a forma , majd .

Demonstráció

, ahol B a béta függvény .

A család az integrál operátorok ellenőrzi:

(ezért ). Demonstráció

Mi egy új változót r által t = s + ( X - ok ) R és azt kapjuk:

.

Az integrál belsejében a béta funkció , amely ellenőrzi:

,

úgy hogy

.

Sajnos a D levezetési operátor analóg folyamata lényegesen bonyolultabb. A család nem additív (általában nincs ), sőt kommutatív sem ( ) .

Alapvető meghatározás

A legegyszerűbb ötlet az, hogy az n- edik deriváltra vonatkozó „szabályos” képletekből indulunk ki, és n- t a valódi α-val helyettesítünk  ; így megkapjuk az exponenciális és a szinuszfüggvényre: A hatványfüggvényekre ugyanaz az elképzelés szükséges, mint korábban a gammafüggvény bevezetéséhez  : mivel , meglesz . Ezekre a képletekre megvan az additivitás ( ), amely lehetővé teszi például a deriváció „négyzetgyökének” megszerzését az α = 1/2 érték felvételével .

De ez az elemi megközelítés nemcsak nem általánosítható, hanem ellentmond az integrál operátorokból felépített általánosabb meghatározásoknak.

A tört származékok általános meghatározása

Riemann -Liouville származéka

Az ötlet, hogy határozza meg a sorrendben származékot a Re ( α ) ≥ 0 , van itt, hogy kiszámítja a szokásos N- edik származékot a frakcionált integrálját érdekében N - α , az n = ⌊Re ( α ) ⌋ + 1 . A definíciónak két változata létezik:

(for ); (a ).

Az itt használt integrációs operátorok családjai és (itt Re ( α )> 0 ) általánosítják az x > 0 esetében fent definiált családot  :

 ; . Példa:

Vegyük például a hatványfüggvényt , amelynek képével számoltunk . Tegyük fel, hogy Re ( k )> −1 és Re ( α ) ≥ 0 . Tehát x > 0 esetén

,

Ezért az ad hoc meghatározás fent az valójában egy speciális esete Riemann-Liouville származék.

Liouville- Weyl származéka

A Riemann-Liouville származék természetes változata bármely egész számra definiált függvény esetében abból áll , hogy mindenhez veszünk és ezért pózolunk  :

,

akkor, mint korábban,

és . Példa:

Vagy a Re ( λ )> 0 , és hagyja, hogy Re ( α ) ≥ 0 . Így,

és ,

Ezért az ad hoc meghatározás fent az valójában egy speciális esete Liouville-Weil-származék.

Caputo-ból származik

1967-ben Michele Caputo új meghatározást vezetett be, amelyhez nincs szükség határfeltételekre. Caputo meghatározása abban különbözik Riemann-Liouville-től, hogy n- szer végrehajtja a levezetést az n - α sorrendű integrál előtt  :

.

Ennek az az előnye, hogy nulla az f állandó esetén, és hogy Laplace-transzformációja kifejeződik f és k ( f ) kezdeti értékének felhasználásával 0 ≤ k < n esetén .

Általánosabban, az α nem egész komplex olyan, hogy Re ( α ) ≥ 0 és f a osztályú C n a [ a , b ] az n = ⌈Re ( α ) ⌉ , definiáljuk

,

és ezt megmutatjuk

.

Grünwald-Letnikov származéka

Először általánosítjuk az egész sorrend hátsó véges különbségét az α > 0 beállításával  :

,

azután

. Példák:
  1. Vagy a Re ( λ ) ≥ 0 , és hagyja, hogy α > 0 . Így,,Ezért az ad hoc meghatározás fent az valójában egy speciális esete származék (nem csak a Liouville-Weil , hanem) a Grünwald-Letnikov.
  2. Vagy a ji ∈ ℝ , és hagyja, hogy α > 0 . Tehát, 1. példa ,,Ezért a fenti ad hoc meghatározás az valójában egy speciális esete Grünwald- Letnikov származék (ru) . 

Alkalmazások

Ez a matematikai terület praktikus alkalmazást talál automatikus módban a CRONE paranccsal (Robbanás nem egész sorrendben ).

Megjegyzések és hivatkozások

(en) Ez a cikk részben vagy egészben az angol „  Differintegral  ” ( lásd a szerzők listáját ) és a „  Fractional calculus  ” ( lásd a szerzők felsorolását ) című angol nyelvű cikkekből származik .
  1. Joseph Liouville, "  Emlékirat a geometria és a mechanika néhány kérdéséről, és egy újfajta számításról e kérdések megoldására  ", Journal de l'École polytechnique , vol. 13., 1832. 21. szakasz, p.  1-69 .
  2. Joseph Liouville, "  Emlékirat a különbségek kiszámításáról bármilyen indexekkel  ", Journal de l'École politechnique , vol. 13., 1832. 21. szakasz, p.  71-162 .
  3. A téma történetéhez lásd: Stéphane Dugowson, Les differententielles métaphysiques (a levezetési sorrend általánosításának története és filozófiája) , tézis, University of Paris XIII , 1994.
  4. (a) Anatolij A. Kilbas Hari Srivastava és Juan J. Trujillo, Theory and Applications frakcionált Differenciálegyenletek , Amsterdam, Elsevier ,2006( ISBN  0-444-51832-0 , online olvasás ) , p.  75, Ingatlan 2.4.
  5. (in) R. Garrappa E. Kaslik és Mr. Popolizio, "  értékelése Tört integrálok és származékaik elemi függvények: Áttekintés és útmutató  " , MDPI matematika ,2019. május 7Pont n o  407 ( DOI  10,3390 / math7050407 ).
  6. Kilbas, Srivastava és Trujillo 2006 , p.  70.
  7. Kilbas, Srivastava és Trujillo 2006 , p.  69.
  8. Kilbas, Srivastava és Trujillo 2006 , p.  81., 2.5.
  9. Kilbas, Srivastava és Trujillo 2006 , p.  87.
  10. (in) S. Umarov, Hahn és K. Kobayashi, a háromszögön túl: Brown-mozgás, Ito Calculus és Fokker-Planck-egyenlet: Fractional Generalizations , World Scientific ,2018( online olvasható ) , p.  33-34.
  11. Kilbas, Srivastava és Trujillo 2006 , p.  88., 2.11. Ingatlan.
  12. (en) Michele Caputo , "  A disszipáció lineáris modellje, akinek Q szinte frekvenciafüggetlen. II.  ” , Geophysical Journal International , vol.  13, n o  5,1967, P.  529-539 ( DOI  10.1111 / j.1365-246x.1967.tb02303.x , Bibcode  1967GeoJ ... 13..529C ).
  13. Kilbas, Srivastava és Trujillo 2006 , p.  91-92.
  14. Kilbas, Srivastava és Trujillo 2006 , p.  121-122.
  15. Garrappa, Kaslik és Popolizio 2019 , p.  13., 9. javaslat.
  16. Garrappa, Kaslik és Popolizio 2019 , p.  16., 11. javaslat.

Lásd is

Kapcsolódó cikkek

Külső linkek

Művek

Speciális folyóiratok

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">